CN113126613A - 智能割草系统及其自主建图方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能割草系统及自主建图方法，其中上述系统包括物理边界和智能割草设备，物理边界限定割草设备的工作区域；还包括：控制模块，控制割草设备不越过物理边界移动；与控制模块连接的：虚拟边界设定单元，用于设定虚拟边界，虚拟边界包围物理边界，虚拟边界内形成覆盖工作区域的虚拟地图；信息采集模块，设置为记录智能割草设备移动到物理边界时的边界位置；地图构建模块，包括区域构建单元，区域构建单元设置为根据移动路径在虚拟地图上标记完成区域并构建区域地图；控制模块被配置为：获取边界位置并在历史移动路径中查找边界位置对应的历史影响参数；根据历史影响参数控制割草设备改变移动路径。

Description

智能割草系统及其自主建图方法

本申请要求申请日为2019年12月30日、申请号为201911395326.8的中国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种智能割草系统及其自主建图方法。

背景技术

当前，智能割草机或割草机器人，越来越被用户追捧。为限制割草机在工作区域内活动，通过布置物理线或物理电子围栏，来设定好割草区域，智能割草机则根据此设定好的割草区域内进行割草。

而为了使割草机在限定工作区域中执行工作，通常在执行割草工作前，需创建割草区域的地图。现有技术中为了创建割草区域地图，通常在启动正式割草工作前，驱动割草机沿物理边界行走一圈，通过行走记录边界轨迹的方法建立地图；在地图建立完成后再启动割草机执行割草工作。

因此，割草机工作前需要经过额外的建图步骤，占用了正常割草的工作时间，不利于工作效率的提高，且结合现有的经验可知，通常该建图步骤一次性成功率较低，因此需要割草机沿物理边界行走两圈甚至更多才能完成建图工作，花费更多的时间用于割草工作前的建图工作。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种操作简单且高效节能的智能割草系统及其自主建图方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种智能割草系统，包括物理边界和智能割草设备，所述物理边界限定智能割草设备的工作区域；还包括：控制模块，控制所述智能割草设备不越过物理边界移动；以及与所述控制模块连接的：虚拟边界设定单元，用于设定虚拟边界，所述虚拟边界包围所述物理边界，所述虚拟边界内形成覆盖所述工作区域的虚拟地图；信息采集模块，设置为记录所述智能割草设备移动到所述物理边界时的边界位置；地图构建模块，包括区域构建单元，所述区域构建单元设置为根据所述移动路径在所述虚拟地图上标记完成区域并构建区域地图；所述控制模块被配置为：获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史影响参数；根据所述历史影响参数控制所述智能割草设备改变移动路径。

进一步地，所述控制器被配置为：获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史转向角；根据所述历史转向角生成偏航角，控制所述智能割草机在所述边界位置处按照所述偏航角转向移动，以更新所述移动路径。

进一步地，所述控制器被配置为：在所述历史转向角中查找角度之和最大的两个目标历史转向角，并计算两个目标历史转向角之和的平均值，将所述平均值设定为所述偏航角。

进一步地，所述控制器被配置为：在所述历史转向角中采集若干转向角；计算割草机在若干转向角对应方向上分别移动相同距离的移动路径的覆盖率贡献值；将具有最大覆盖率贡献值的移动路径对应的转向角确定为偏航角。

进一步地，所述信息采集模块还采集所述智能割草设备位于所述物理边界时的边界位置信息；所述地图构建模块还包括边界修正单元，所述边界修正单元根据所述边界位置信息构建地图边界，并采用所述地图边界修正所述区域地图的边缘。

进一步地，所述信息采集模块包括边界识别单元和定位单元；所述边界识别单元识别所述物理边界并将结果反馈至所述控制模块，所述定位单元采集所述割草机的位置信息和路径信息。

进一步地，所述定位单元设置为接收来自GNSS组件、惯性测量组件、里程计、地磁传感器中的任意一种或几种的信号。

进一步地，所述虚拟地图为栅格地图。

进一步地，所述地图构建模块还包括路径规划单元；所述路径规划单元将未被标记的边界设为所述智能割草设备的目标行驶区域；或者所述路径规划单元将未被所述智能割草设备移动覆盖的区域设为所述智能割草设备的目标行驶区域。

进一步地，所述地图构建模块还包括校对单元，所述校对单元比对构建的地图信息和用户预设信息。

进一步地，所述地图构建模块还包括障碍物标记单元，所述障碍物标记单元标记所述物理边界内的障碍物。

进一步地，所述障碍物标记单元和所述物理边界均为导线，所述导线中通入交变电流。

进一步地，所述智能割草系统还包括移动终端，所述移动终端包括显示模块和输入模块，所述移动终端通过通讯单元与所述智能割草设备通讯连接，所述显示模块输出显示所述地图，所述输入模块包括所述虚拟边界设定单元。

一种智能割草系统的自主建图方法，所述智能割草系统包括物理边界和智能割草设备，所述物理边界限定智能割草设备的工作区域；所述自主建图方法包括：

设定虚拟边界并生成虚拟地图，所述虚拟边界包围物理边界；启动所述智能割草设备执行工作；采集信息，记录所述智能割草设备移动到所述物理边界时的边界位置；构建地图，根据所述智能割草设备的移动路径在所述虚拟地图上标记完成区域并构建区域地图；所述方法还包括：获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史影响参数；根据所述历史影响参数控制所述智能割草设备改变移动路径。

进一步地，所述方法还包括：获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史转向角；根据所述历史转向角生成偏航角，控制所述智能割草设备在所述边界位置处按照所述偏航角转向移动，以更新所述移动路径。

进一步地，所述虚拟地图为栅格地图；

构建区域地图包括：根据所述割草机的移动路径分析获得栅格地图中的栅格信息以构建区域地图。

进一步地，采集信息还包括采集边界位置信息：判断所述智能割草设备是否位于所述物理边界上，若是，则采集所述智能割草设备位于所述物理边界上的位置信息；构建地图还包括：在所述虚拟地图上标记所述边界位置信息并构建地图边界，所述地图边界修正所述区域地图的边缘。

进一步地，构建地图边界包括：构建边界信息子集，所述边界信息子集包括多个具有相同特征的离散的边界位置信息；根据所述边界信息子集绘制地图边界。

进一步地，还包括路径规划的步骤：在构建地图的过程中选取未被标记的边界区域为目标行驶区域；或者选取未被所述移动路径覆盖的区域为所述智能割草设备的目标行驶区域。

进一步地，构建地图之后还包括：校对地图信息，判断地图是否与预设信息匹配；若匹配，则建图完成，发送所述地图；若不匹配，则返回继续采集信息。

进一步地，校对地图通过后向用户输出并显示所述地图：若用户确认，存储所述地图；若用户驳回，返回继续执行采集信息。

本发明的有益之处在于：

本发明的智能割草系统通过设置包围物理边界的虚拟边界，驱动割草机在虚拟边界范围内直接进入割草操作，在执行割草工作的过程中，控制割草机不超越物理边界，并通过割草机碰触物理边界获取物理边界的位置信息，逐渐获取物理边界的完整信息，从而完成地图绘制，简化了地图构建过程，提高了工作效率，且在地图绘制过程中遇到物理边界时通过优化算法选择偏航角改变移动路径，兼顾了割草覆盖率和工作效率。

本发明的自主建图方法，通过驱动割草机直接进行割草工作，在执行割草工作的过程中，逐渐获取工作区域的边界，从而完成地图绘制，不需在割草机执行工作前额外执行地图绘制，简化了工作过程，提高了工作效率，且在地图绘制过程中遇到物理边界时通过优化算法选择偏航角改变移动路径，兼顾了割草覆盖率和工作效率。

附图说明

图1-2是本发明的智能割草机的工作示意图；

图3是图1中割草机的模块示意图；

图4是图3中割草机的操作设备的结构示意图；

图5是本发明的智能割草系统的示意图；

图6是本发明的智能割草系统的运行示意图；

图7是本发明的智能割草系统的另一实施方式的运行示意图；

图8是本发明智能割草系统的框架示意图；

图9a和图9b是本发明的智能割草系统的另一实施方式的运行示意图；

图10是本发明的智能割草系统的另一实施方式的运行示意图；

图11是本发明的智能割草系统中不同方法下割草覆盖率和割草时间的关系示意图；

图12是本发明的智能割草系统的工作流程图；

图13是本发明移动终端初始设置的流程示意图；

图14是本发明的智能割草系统构建地图的流程示意图。

附图标记说明：

100-物理边界；101-工作区域；110-虚拟边界；

200-割草机；

210-控制模块；

220-信息采集模块；221-边界识别单元；222-定位单元；

230-地图构建模块；231-区域构建单元；232-边界修正单元；233-路径规划单元；

240-存储模块；

250-操作设备；

300-移动终端；310-输入模块；311-虚拟边界设定单元；320-显示模块；

400-通讯单元。

500-移动站；

600-基站；

700-充电站。

具体实施方式

本发明实施例记载了一种智能割草系统，如图1-2所示其包括物理边界100、智能割草设备200、充电站700以及移动终端300，其中智能割草设备200可以是智能割草机、扫雪机；参见附图5，其中充电站700用于停靠智能割草设备，尤其用于在其电源不足时补充能源，充电站700通常设置于物理边界100上或者物理边界100内；移动终端300与智能割草设备200通讯连接。

参见附图1-图2，物理边界100用于限定智能割草设备的工作区域101，通常物理边界100首尾连接以将工作区域101封闭。其中物理边界100可以是实体的也可以是发出电信号的，例如物理边界可以是篱笆、围栏、墙壁等实体边界，也可以是导线、信号发射装置等发出的虚拟边界信号，例如电磁信号或光信号。

本发明中的物理边界100为导线，导线中通入周期性变化的交变电流，周期性交变电流导致物理边界100的内外两侧附近产生周期性的磁场（其中内侧指位于物理边界100围合的区域，即行驶区域中；外侧指位于物理边界围合的区域外），越接近物理边界100磁场信号越强。

智能割草设备200在工作区域101自动行走，通常智能割草设备200包括主体以及安装于主体上的车轮，车轮由马达驱动，其结构采用本领域的常规行走结构在此不做赘述；本实施例中的智能割草设备200指一种智能割草机。

参见附图4，割草设备200包括操作设备250，其中操作设备250具体为旋转切割刀片，切割刀片用于切割草，切割刀片具有切割直径D。

如图3和图8所示，本实施例的智能割草系统包括控制模块210、信息采集模块220、地图构建模块230、存储模块240、输入模块310和显示模块320，输入模块310包括虚拟边界设定单元311。其中参见附图8控制模块210、信息采集模块220、地图构建模块230和存储模块240被安装于割草机；输入模块310和显示模块320被安装于移动终端300；割草机和移动终端300通过通讯单元400通讯连接以传递信号。

本发明的通讯单元400被实施为IOT通讯单元，其采用IOT通信技术，其有着信号覆盖范围广，高速传输等优点。可以理解的是，通讯单元400也可选用WAN通信技术等其它无线数据传输技术，对本发明的内容不造成限制。

本发明实施例的移动终端300可以被实施为计算机，手机，腕表，VR/AR眼镜等智能移动设备。该移动终端300包括显示模块320和输入模块310，显示模块320用于对用户输出显示相关图案或数据信息，输入模块310用于输入用户指令或初始设定。

其中显示模块320可以为显示屏，输入模块310可以为鼠标和键盘，或者输入模块310也可以为设于移动终端300上的按键、开关，其包括但不限于启动/停止开关按键、工作模式切换按键、通讯开关按键等，通过相关控制按键操控移动终端300，移动终端300通过通讯单元400对割草机输入指令以改变割草机的工作状态；当然，显示模块320和输入模块310也可共同设置为触控屏，通过触控屏操控移动终端300，移动终端300通过通讯单元400对割草机输入指令以改变割草机的工作状态。

作为可替换的实施方式，控制模块也可被安装于移动终端，移动终端通过控制模块连接控制割草机工作。

作为可替换的实施方式，也可不设置移动终端，将输入模块310、显示模块320均设于割草机的主体上，只需满足割草机可对外输出，且用户可对其进行输入操作即可。

参见附图8，移动终端300的输入模块310包括虚拟边界设定单元311，通过虚拟边界设定单元311设定虚拟边界110，虚拟边界110内形成虚拟地图；并将虚拟边界110和虚拟地图的信息传输至存储模块240，其中所述虚拟边界110包围所述物理边界100，虚拟地图覆盖工作区域101，本发明实施例中的虚拟地图为栅格地图；应当理解的是，虚拟边界实质是位置数据信息。本发明实施例中的虚拟边界110为封闭图形，其可以为不规则封闭图形，也可以为规则封闭图形。

其中本发明实施例的控制模块210控制割草机在不超越物理边界100的范围内移动。在一个实施例中，信息采集模块220与所述控制模块210连接，用于记录所述割草机的实时位姿信息、移动路径以及边界位置信息，其中所述割草机的边界位置信息指割草机移动到所述物理边界100时的位置信息，即智能割草设备移动到物理边界时的边界位置的相关信息，信息采集模块220将采集到的移动路径和边界位置信息存储于存储模块240。

本发明实施例中的信息采集模块220包括边界识别单元221和定位单元222；所述边界识别单元221用于识别所述物理边界100并将结果即当前的边界位置反馈至所述控制模块210。所述定位单元222获取所述割草机位于物理边界上的位置信息并将其发送至所述存储模块240；所述定位单元222在行进过程中还获取割草机的任意位置的实时位姿信息并将该实时位姿信息发送并存储至存储模块240，通过分析处理实时位姿信息获得割草机的移动路径；可以理解的是存储模块240被分割为不同的存储区域以存储不同的数据。

具体地，边界识别单元221包括设于割草机上的若干电磁场传感器，电磁场传感器通过检测边界线产生的电磁场信号以识别边界线。本发明实施例包括四个边界识别单元221，分别摄于割草机的四个边角。当割草机移动到物理边界上时，边界识别单元221识别出物理边界并将识别结果即当前的边界位置反馈至控制模块210。如图6所示，控制模块210在接收到识别结果后控制割草机调整角度立刻返回工作区或者；如图7所示，控制模块210在接收到识别结果后控制割草机沿物理边界100继续行驶一段距离后返回工作区，在本申请中将上述立即转向或者沿边界移动一定距离由再返回工作区域的方式定义为随机转向法

在一个实施例中，控制模块210接收到识别结果后，可以在存储模块存储的历史移动路径中查找与上述边界位置相对应的历史影响参数，并根据该历史影响参数控制割草机改变移动路径。在一个实施例中，上述历史影响参数可以是当前边界位置对应的历史转向角，即在所有的历史移动路径上，割草机途径此边界位置时对应的历史转向角度。进一步的，控制模块210可以根据上述历史转向角生成偏航角，并控制智能割草机在所述边界位置处按照所述偏航角转向移动，以更新移动路径。

在一种实现方式中，如图9所示，控制模块210可以采用最大离散法估算割草机在当前的边界位置处的偏航角。具体的，控制模块接收到识别结果后，如图9a所示在当前位置对应的历史转向角中查找角度之和最大的两个目标历史转向角计为角A和角B，并计算角A和角B之和的平均值，然后将该平均值设定为偏航角C，从而控制割草机在当前位置处沿着偏航角C转向移动。图9b示出了割草机在边界位置P1处，估算出偏航角后沿着偏航角所在的路径2移动到工作区域101内。

在一种实现方式中，如图10所示，控制模块210可以采用路径预测法估算割草机在当前的边界位置处的偏航角。具体的，控制模块接收到识别结果后，可以在当前位置P0对应的所有历史转向角中采集若干转向角，并模拟计算割草机在上述若干个转向角方向上移动相同距离的移动路径上，割草机割草的覆盖率贡献值，其中覆盖率贡献值可以理解为在上述路径中未覆盖栅格（即从未被割草机割草覆盖过的地图栅格）的数量与路径上总栅格数量的比值。进而，控制器可以将具有最大覆盖率贡献值的移动路径对应的转向角确定为偏航角。在本实施例中，割草机移动到P5的边界位置处，估算出六个转向角上的分别移动相同距离d后6条路径（1至6）分别对应覆盖率贡献值，假设路径2对应的覆盖率贡献值最大，则控制器将控制割草机沿着路径2从P5处开始移动至工作区。在本实施例中，信息采集模块中记录有割草机在地图栅格上已割草的覆盖栅格即覆盖数据。

在本申请实施例中，上述历史转向角和偏航角均是指：在以充电站为原点的相对坐标系下，相对坐标系纵轴或横轴以顺时针或逆时针方向旋转到割草机移动方向或待移动方向的夹角。如图9和10所示的偏航角均指相对坐标系下纵轴正方向按顺时针旋转到待移动方向时移动的角度。

在本申请中，如图11所示，给出了分别采用随机转向法、最大离散法以及路径预测法三种方法控制割草机转向过程中，割草覆盖率及割草用时得对比。其中，线1表示采用随机转向法时，割草用时及割草覆盖率的曲线；线2表示采用最大离散法时，割草用时及割草覆盖率的曲线；线3表示采用路径预测法时，割草用时及割草覆盖率的曲线。由图11可知，相对于随机转向法来说，在割草覆盖率达到80%时，采用路径预测法控制转向的用时最短，且在割草覆盖率达到90%时，采用路径预测法控制转向的用时缩短的更明显。

其中本发明实施例的定位单元222用于获取割草机的位姿数据，位姿数据指割草机的位置坐标和方向信息。本实施例中的定位单元222包括但不限于GNSS组件、惯性测量组件、里程计和地磁传感器。需要注意的是GNSS为全球导航卫星系统。

进一步地，如图1和图2所示，本发明实施例的智能割草系统还包括基站600和移动站500，其中基站600和移动站500均接收卫星信号，移动站500安装于割草机上，所述基站600安装在地面上，或安装在一个固定位置。所述移动站500与所述基站600建立通信。其中基站600和移动站500可以接收全球导航卫星系统的定位信号，本发明实施例对此不作限制。

当割草机工作时，可以只利用GNSS组件定位信号来导航，此时，根据割草机移动站500接收的GNSS组件位置信号从而确定割草机的实时位置数据和方向数据；当然，也可以在GNSS组件信号弱时利用惯性测量单元和里程计来计算获取割草机的位姿信息；或者，或者，综合判断GNSS组件、惯性测量组件和里程计的数据后获取割草机的位姿信息。可以理解的是，定位方式可以有多种，只要能够取得自动割草机行走过程中所经过的各处的坐标和方向即可。

地图构建模块230还包括障碍物标记单元，当工作区域101内有树木、石块、花坛、灌木等障碍物时，通过障碍物标记单元标记，避免割草机与障碍物碰撞，其中障碍物标记单元可以为超声波发射器或光信号发生器等，用于向割草机发出信号，割草机上设有可以感测该超声波或者光信号的传感器，割草机接收到信号后调整行驶方向绕开障碍物。当然，障碍物标记单元也可采用导线，导线中通入交变电流以使其产生电磁场。

同样可以理解的是，当割草机移动到障碍物标记单元处时，边界识别单元221识别出障碍物边界并将识别结果反馈至控制模块210，控制模块210在接收到识别结果后控制割草机调整角度立刻返回工作区或者沿障碍物标记的边界继续行驶一段距离后返回工作区或者按照计算出的偏航角转向移动至工作区域。

本发明实施例的地图构建模块230包括区域构建单元231和边界修正单元232，其中区域构建单元231根据智能割草设备200的移动路径在所述虚拟地图上标记完成区域并构建区域地图；边界修正单元232根据所述信息采集模块220采集到的多个所述边界位置信息构建地图边界，所述地图边界用于修正所述区域地图的外边缘。

本发明实施例中，虚拟地图的格式为栅格地图；栅格地图以二维网格来存储地图信息，每个网格中按照被割草机移动路径覆盖或未被割草机移动路径覆盖分别生成不同的属性值，例如该栅格被覆盖时属性值为1，未被覆盖的属性值为0；区域构建单元231计算获得栅格属性值并存储记录每个栅格的属性值。

虚拟地图中设有坐标原点，例如以充电站作为地图的坐标原点，结合坐标原点和栅格的大小可计算得到每个虚拟地图中每个栅格在坐标系中的栅格位置信息，可以理解的是上述坐标系为局部坐标系。

当割草机在物理边界100内移动到某一栅格位置时，通过定位单元222获取割草机当前时刻的位姿，以便明确割草机当前的地点以及方位。此时，区域构建单元231将割草机的位姿信息和割盘的尺寸信息与栅格位置信息相比对，以判断该栅格是否被割草机覆盖，具体比对方法为：判断栅格中心与操作设备250中心的距离是否小于设定阈值。其中本发明实施例中，设定阈值为操作设备250的切割半径R，设定栅格中心与操作设备250中心的距离为a，若a＜R则认定该栅格被覆盖，则将其属性值标记为1，区域构建单元231根据割草机的行走路径信息和栅格位置信息计算得到各栅格属性信息，以获得地图栅格数据并最终生成区域地图。

其中在定位单元222采集到多个所述边界位置信息后，可以理解的是该边界位置信息包括坐标信息，边界修正单元232可以根据边界位置点的特征信息对其进行归类处理，形成不同的数据子集，可以理解的是数据子集为坐标数据的集合。通过数据子集的构建进而可以连接该数据子集中的边界位置点，边界修正单元232根据数据子集形成与该数据子集对应的边界，并根据多个边界构造形成地图边界；形成地图边界后，采用地图边界对区域地图的边界进行修正，以提高该地域边界区域的建图精确度。

作为可替换的实施方式，当障碍物标记单元为导线时，也可视其为内边界，地图构建模块230采用上述方式采集内边界位置信息，并据此构建地图内边界，地图内边界用于修正地图的内边缘。最终地图构建模块230通过算法处理将区域地图、内边界和外边界整合形成完整的地图。

本发明实施例中生成的地图为割草机所在的环境的二维(2D)地图，具体为一种栅格地图。当然，也可在此基础上，增设例如环境传感器、3D传感器收集三维数据，也可与二维数据相关联以建立三维地图。

值得一提的是，区域构建单元231还包括图像处理单元，图像处理单元结合未被覆盖区域的尺寸和行走路径的数据，分析当前区域内或者区域周边的少数未被覆盖区域是否满足预设条件，例如，预设条件包括未被覆盖区域的栅格位置信息，未被覆盖的面积大小等，若满足预设条件，则该未被覆盖区域属于区域地图，图像处理单元将位于该少数未被覆盖区域中的栅格属性标记为1并记载入区域地图中。

本发明的智能割草系统，通过设置包围物理边界的虚拟边界110，驱动割草机在虚拟边界110范围内直接进入割草操作，在执行割草工作的过程中，控制割草机不超越物理边界100，并通过割草机碰触物理边界100获取物理边界的位置信息，逐渐获取物理边界100的完整信息，从而完成地图绘制，不需在割草机执行割草前额外执行地图绘制，简化了工作过程，提高了工作效率。通过采用最大离散法以及路径预测法估算割草机碰到边界需转向时的偏航角，更好的兼顾了割草机的割草效率和割草覆盖率。

本发明实施例的地图构建模块还包括校对单元，所述校对单元比对构建的地图信息和预设信息是否匹配，判断地图构建是否完成，其中预设信息为用户在移动终端上输入的标准信息，例如包括割草区域的长度、宽度、有无障碍物、障碍物的数量、有无窄通道、窄通道的数量等。

地图构建模块在构建地图后将其生成的地图信息发送至校对单元，校对单元通过数据处理分析比对初步判断其是否符合用户设定，若符合则存储地图信息至存储模块240，并将该地图信息输出至显示器或触控屏上供用户查看。具体地，显示于显示器或触控屏上的信息可以包括地图图像信息和地图数据信息，用户通过查看图像和数据以判断该地图是否符合要求。经用户确认后将该最终形成的地图保存至存储模块240或者也可将该地图信息上传服务器。

通过设置校对单元，实现了智能割草系统的自动校对和筛查，首先通过校对单元自主筛查不符合初始配置的地图，通过校对单元的校对核实后再发送进行人工确认，进一步提高了系统的自动化程度，有效减少了用户的反复确认或修改，从而提高了用户的使用体验度。

值得一提的是，本发明实施例中的智能割草系统还包括路径规划单元233，其中路径规划单元233获取已被标记物理边界的边界段，从而控制割草机在接下来的运行过程中选取未被标记的物理边界作为目标行驶区域；或者路径规划单元233获取已被割草机的移动路径覆盖的区域，并将未被割草机的移动路径覆盖的区域设为所述割草机的目标行驶区域。

当然，作为另一种实施方式，当虚拟地图生成后，路径规划单元即可根据割草机的初始位置预先规划形成割草机的预设割草路径，其中路径的规划方法在此不作限制，只要满足割草机在虚拟地图上进行有规划的作业即可，此后，割草机根据规划路径执行作业，在此执行割草作业的过程中，控制信息采模块采集并形成割草机的移动路径；且当其行驶到边界上时，边界识别单元221识别出物理边界100并向控制模块210发出采集边界位置信息的信号，控制模块210控制信息采集模块220采集边界位置信息并控制割草机立刻返回待割草区域或者沿物理边界100行驶部分距离后返回工作区域101或者按照计算出的偏航角转向移动至工作区域101。

通过设置路径规划单元233，可根据当前作业区域形态和割草机的作业参数优化路径规划，并进行路径曲线拟合，完成最优路径分析模拟，并计算生成所述预设路径，通过路径规划从而提高所述割草机的作业效率，并达到节能的目的。

以下结合图12-图14对本发明的智能割草系统的工作流程和方法进行详细说明。

参见附图12，为本发明的一种智能割草系统的工作流程示意图，主要包括：

S201：设定虚拟边界；

S202：启动割草设备；

S203：采集边界信息；

S204：构建地图。

下面结合附图13说明用户通过移动终端输入预设信息的流程，其中用户在移动终端上初始设置和虚拟边界设置的流程如图所示步骤为：

S100：程序初始化，在触控屏上选择输入预设信息图标，并输入预设信息；

S110：用户在移动终端上设置虚拟边界；并生成虚拟地图：具体为用户通过移动终端直接设定虚拟边界110，并确保所述虚拟边界110包围限定工作区域101的物理边界100，所述物理边界100限定所述割草机的工作区域101，在所述虚拟边界110内生成虚拟地图。

S120：虚拟边界和虚拟地图信息上传至割草机。

其中用户通过移动终端的虚拟边界设定单元311设定虚拟边界；虚拟边界设定单元支持建立、删除和保持虚拟边界。具体地，可将物理边界信息，例如物理边界尺寸、位置等信息显示于显示器，用户可通过键盘、触控屏等输入虚拟边界设定信息，例如：起点、长度和宽度等；当然，也可将物理边界图像直接显示于触控屏，用户用手指或者触控笔在触控屏上直接绘制虚拟边界并保存。应当理解的是，设定虚拟边界的方式可以有多种，在此不对其作出限定，只要能够包围物理边界即可；系统根据用户输入设定的虚拟边界110生成栅格状虚拟地图。

下面结合附图14说明本发明实施例所提供的构建地图方法的详细步骤：

启动割草机开始工作；

S301：割草机在工作区域中行驶，执行割草操作；

S302：在执行割草的过程中采集所述割草机的位姿信息，记录割草机的移动路径；

S303：根据割草机的位置信息、作业设备切割直径、栅格位置数据和栅格尺寸等计算获取地图栅格信息，区域构建单元在获得已被割草机覆盖的栅格信息后，在地图上标记已完成区域；

S304：判断割草机是否行驶到物理边界100上；

若是，进入步骤S305；

若否，返回继续执行步骤S301；

S305：定位单元222采集割草机位于物理边界100上的位置坐标信息，并在虚拟地图中将该坐标标记为边界线；

S306：割草机立刻返回到工作区域101中；或者沿物理边界100行驶一段距离后旋转一定角度返回工作区域101中或者按照计算出的偏航角转向移动至工作区域101；其中图6示出了边界识别单元221识别出割草机处于物理边界100时，控制割草机立刻返回工作区域101的示意图；图7示出了边界识别单元221识别出割草机处于物理边界100时，控制割草机沿物理边界行驶一段后旋转一定角度返回工作区域101的示意图；图9示出了边界识别单元221识别出割草机处于物理边界100时，采用最大离散法估算割草机在当前的边界位置处的偏航角，控制割草机沿该偏航角移动至工作区域；图10示出了边界识别单元221识别出割草机处于物理边界100时，采用路径预测法估算割草机在当前的边界位置处的偏航角，控制割草机沿该偏航角移动至工作区域。

返回继续执行步骤S301进行下一次的边界信息采集，直至采集到的信息使得地图构建完成。

本发明的自主建图方法，通过驱动割草机直接进行割草工作，在执行割草工作的过程中，逐渐获取工作区域的边界，从而完成地图绘制，不需在割草机执行工作前额外执行地图绘制，简化了工作过程，提高了工作效率。通过采用最大离散法以及路径预测法估算割草机碰到边界需转向时的偏航角，更好的兼顾了割草机的割草效率和割草覆盖率。

下面对上述建图过程进行详细说明。

区域地图构建过程：

在虚拟地图中设定坐标原点，例如以充电站700作为地图的坐标原点，结合坐标原点和栅格的大小计算得到每个栅格在坐标系中的栅格位置信息，可以理解的是上述坐标系为局部坐标系。

其中本发明实施例中，割草机的操作设备250具有切割直径D，切割半径R；生成的栅格虚拟地图包括若干正方形组成的栅格，其中设定每个栅格的边长L小于D，具体地，本实施例中设置为L≤1/4D。

当割草机在物理边界100内移动到某一栅格位置时，通过定位单元222获取割草机当前时刻的位姿，以便明确割草机当前的位置以及方位。此时，区域构建单元231将割草机的位姿信息和割盘的尺寸信息与栅格位置信息相比对，并判断该栅格是否被割草机覆盖，具体比对方法为：

判断栅格中心与操作设备250中心的距离是否小于设定阈值，其中本发明实施例中，设定阈值为操作设备250的切割半径R，设定栅格中心与操作设备250中心的距离为a，若a＜R则认定该栅格被覆盖，则将其属性值标记为1，若当前栅格不符合上述条件，则暂不认定其被覆盖，将其属性值标记为0；区域构建单元231根据割草机的行走路径信息和栅格属性信息计算获得地图栅格数据，并根据上述地图栅格数据计算生成区域地图。

下面结合图7说明地图边界构建过程：

其中本发明实施例中，边界位置点的特征信息用于指示不同的边界，处理单元在获取边界位置点后，根据其特征信息可以形成不同的数据子集。

作为一种示例，参见图7，在割草机的行走过程中，记录了P0-P10等边界位置信息，其中处理单元对上述边界位置点对比分析后，得到符合相同特征的边界位置点，例如：

图7中的点P0、P7、P8的特征信息相同，均属于第一边界，因此将其纳入同一数据子集中，形成集合1{P0，P7，P8}，此后再获取到相同特征信息的数据后，同样纳入该数据集合1中。

图7中的点P9、P10的特征信息相同，均属于第二边界，因此将其纳入同一数据子集中，形成集合2{P9，P10}，此后再获取到相同特征信息的数据后，同样纳入该数据集合2中。

图7中的点P1、P2、P5和P6的特征信息相同，均属于第三边界，因此将其纳入同一数据子集中，形成集合3{ P1，P2，P5，P6}，此后再获取到相同特征信息的数据后，同样纳入该数据集合3中。

图7中的点P6、P3、P4的特征信息相同，均属于第四边界，因此将其纳入同一数据子集中，形成集合4{P6，P3，P4}，此后再获取到相同特征信息的数据后，同样纳入该数据集合4中。

随着割草机的运行，其在物理边界线上采集的点增多，根据上述数据子集描绘出边界地图，当运行到一定时间或者采集到预定数量的边界位置信息后整合各个数据子集得到的边界逐渐逼近真实的边界。

需要说明的是，上述示例以规则矩形边界为例，在实际操作中边界不限于矩形，也不限于规则图形。

边界修正，地图构建模块230根据地图边界修正区域地图的边缘，并由此获得最终的地图。

为提高效率，进一步地还可在构建地图的步骤中包括路径规划的步骤，具体为：路径规划单元233获取并标记已被割草机行驶经过的边界段，从而控制割草机在运行过程中选取未被标记的物理边界段作为割草机的目标行驶区域。

当然，作为另一种实施方式，在虚拟地图生成后，根据割草机的初始位置规划形成割草机的预设割草路径，其中路径的规划方法在此不作限制，只要满足割草机在虚拟地图上进行有规划的作业即可，此时，割草机根据规划路径执行作业，在此作业过程中当其行驶到边界100上时，边界识别单元221识别出物理边界100并向控制模块发出采集边界位置信息的信号，并控制割草机立刻返回工作区域101或者沿物理边界100行驶一段距离后返回工作区域101。

通过在构图过程中执行路径规划，可根据当前作业区域形态和割草机的作业参数优化路径规划，并进行路径曲线拟合，完成最优路径分析模拟，并计算生成所述预设路径，通过路径规划从而提高所述割草机的作业效率，并达到节能的目的。

建立地图之后还包括校对地图信息的步骤：用于判断构建的地图是否符合要求；具体为地图构建模块构建地图后将其生成的地图信息发送至校对单元，校对单元通过数据处理将该地图与步骤S110中用户输入的预设信息进行比对，判断其是否符合用户的初始设定，若符合则存储地图信息至存储模块240，并将该地图信息输出至显示器或触控屏上供用户查看，例如可以在显示器或触控屏上显示图像信息和数据信息，用户通过查看图像和数据判断该地图是否符合要求。

若地图信息与用户输入的配置参数信息不匹配，则返回继续在工作区域内运行，直至构建的地图信息与输入参数匹配，其中对比单元的执行可根据预设时间间隔启动，或者根据预设边界位置信息的采集数量启动。

将该地图信息发送至显示模块320后，经用户判断，若用户确认，则将该最终形成的地图保存至存储模块240或者上传服务器；

若被用户驳回，则继续返回步骤S301，继续在工作区域内运行并采集信息直至构建地图符合用户要求后地图构建结束。

需要说明的是，本发明的自主建图方法不仅适用于智能割草系统，同样适用于例如扫地清洁机器人、扫雪机等智能机器人的地图构建。

本发明的自主建图方法，通过在建图过程中设置校对和人工检验双重检查步骤，先通过系统的自动检查，核对地图的绘制结果是否符合预置条件，若不符合条件自动返回地图构建过程，提高了检测效率；系统校对通过后再通过人工核实，最终确认地图的有效性，提高了系统的自动化，简化了用户的操作步骤，从而进一步提高了用户的使用体验度。

本领域相关的技术人员可以理解，本发明所提及的单元和模块被实施为软件如数据结构、组件、库、例程等逻辑构造以及硬件如存储器的一种或集合，并具有运行算法以执行任务，实现数据类型和部件运行状态的转化，从而实现技术效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (21)

1.一种智能割草系统，包括物理边界和智能割草设备，所述物理边界限定智能割草设备的工作区域；

还包括：

控制模块，控制所述智能割草设备不越过物理边界移动；

以及与所述控制模块连接的：

虚拟边界设定单元，用于设定虚拟边界，所述虚拟边界包围所述物理边界，所述虚拟边界内形成覆盖所述工作区域的虚拟地图；

信息采集模块，设置为记录所述智能割草设备移动到所述物理边界时的边界位置；

地图构建模块，包括区域构建单元，所述区域构建单元设置为根据所述移动路径在所述虚拟地图上标记完成区域并构建区域地图；

其特征在于，所述控制模块被配置为：

获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史影响参数；

根据所述历史影响参数控制所述智能割草设备改变移动路径。

2.根据权利要求1所述的智能割草系统，其特征在于，

所述控制器被配置为：

获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史转向角；

根据所述历史转向角生成偏航角，控制所述智能割草设备在所述边界位置处按照所述偏航角转向移动，以更新所述移动路径。

3.根据权利要求2所述的智能割草系统，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述历史转向角中查找角度之和最大的两个目标历史转向角，并计算两个目标历史转向角之和的平均值，将所述平均值设定为所述偏航角。

4.根据权利要求2所述的智能割草系统，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述历史转向角中采集若干转向角；

计算割草机在若干转向角对应方向上分别移动相同距离的移动路径的覆盖率贡献值；

将具有最大覆盖率贡献值的移动路径对应的转向角确定为偏航角。

5.根据权利要求1所述的智能割草系统，其特征在于，所述信息采集模块还采集所述智能割草设备位于所述物理边界时的边界位置信息；

所述地图构建模块还包括边界修正单元，所述边界修正单元根据所述边界位置信息构建地图边界，并采用所述地图边界修正所述区域地图的边缘。

6.根据权利要求5所述的智能割草系统，其特征在于，所述信息采集模块包括边界识别单元和定位单元；

所述边界识别单元识别所述物理边界并将结果反馈至所述控制模块，所述定位单元采集所述割草机的位置信息和路径信息。

7.根据权利要求6所述的智能割草系统，其特征在于，所述定位单元设置为接收来自GNSS组件、惯性测量组件、里程计、地磁传感器中的任意一种或几种的信号。

8.根据权利要求1所述的智能割草系统，其特征在于：所述虚拟地图为栅格地图。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的智能割草系统，其特征在于：所述地图构建模块还包括路径规划单元；

所述路径规划单元将未被标记的边界设为所述智能割草设备的目标行驶区域；或者所述路径规划单元将未被所述智能割草设备移动覆盖的区域设为所述智能割草设备的目标行驶区域。

10.根据权利要求9所述的智能割草系统，其特征在于，所述地图构建模块还包括校对单元，所述校对单元比对构建的地图信息和用户预设信息。

11.根据权利要求10所述的智能割草系统，其特征在于：所述地图构建模块还包括障碍物标记单元，所述障碍物标记单元标记所述物理边界内的障碍物。

12.根据权利要求11所述的智能割草系统，其特征在于：所述障碍物标记单元和所述物理边界均为导线，所述导线中通入交变电流。

13.根据权利要求10-12任意一项所述的智能割草系统，其特征在于：所述智能割草系统还包括移动终端，所述移动终端包括显示模块和输入模块，所述移动终端通过通讯单元与所述智能割草设备通讯连接，所述显示模块输出显示所述地图，所述输入模块包括所述虚拟边界设定单元。

14.一种智能割草系统的自主建图方法，所述智能割草系统包括物理边界和智能割草设备，所述物理边界限定智能割草设备的工作区域；所述自主建图方法包括：

设定虚拟边界并生成虚拟地图，所述虚拟边界包围物理边界；

启动所述智能割草设备执行工作；

采集信息，记录所述智能割草设备移动到所述物理边界时的边界位置；

构建地图，根据所述智能割草设备的移动路径在所述虚拟地图上标记完成区域并构建区域地图；

其特征在于，所述方法还包括：

获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史影响参数；

根据所述历史影响参数控制所述智能割草设备改变移动路径。

15.根据权利要求14所述的地图建立方法，其特征在于，

获取所述边界位置并在历史移动路径中查找所述边界位置对应的历史转向角；

根据所述历史转向角生成偏航角，控制所述智能割草设备在所述边界位置处按照所述偏航角转向移动，以更新所述移动路径。

16.根据权利要求14所述的地图建立方法，其特征在于，

所述虚拟地图为栅格地图；

构建区域地图包括：根据所述割草机的移动路径分析获得栅格地图中的栅格信息以构建区域地图。

17.根据权利要求14或16所述的地图建立方法，其特征在于：

采集信息还包括采集边界位置信息：判断所述智能割草设备是否位于所述物理边界上，若是，则采集所述智能割草设备位于所述物理边界上的位置信息；

构建地图还包括：在所述虚拟地图上标记所述边界位置信息并构建地图边界，所述地图边界修正所述区域地图的边缘。

18.根据权利要求17所述的自主建图方法，其特征在于，构建地图边界包括：

构建边界信息子集，所述边界信息子集包括多个具有相同特征的离散的边界位置信息；

根据所述边界信息子集绘制地图边界。

19.根据权利要求17所述的自主建图方法，其特征在于：构建地图还包括路径规划的步骤：在构建地图的过程中选取未被标记的边界区域为目标行驶区域；或者选取未被所述移动路径覆盖的区域为所述智能割草设备的目标行驶区域。

20.根据权利要求19所述的地图构建方法，其特征在于：构建地图之后还包括：

校对地图信息，判断地图是否与预设信息匹配；

若匹配，则建图完成，发送所述地图；

若不匹配，则返回继续采集信息。

21.根据权利要求20所述的地图构建方法，其特征在于：校对地图通过后向用户输出并显示所述地图：

若用户确认，存储所述地图；

若用户驳回，返回继续执行采集信息。

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